Министерство образования и науки Российской Федерации

Пензенский государственный университет

Лабораторная работа

Автоматизированный лабораторный стенд для исследования оптических свойств материалов электронной техники и параметров оптоэлектронных приборов

Описание лабораторного стенда

Пенза 2008

УДК 621.315.5: 681.7.069

Абрамов В.Б., Аверин И.А., Карпанин О.В., Медведев С.П., Метальников А.М, Печерская Р.М.Автоматизированный лабораторный стенд для исследования оптических свойств материалов электронной техники и параметров оптоэлектронных приборов.

Описание подготовлено на кафедре микроэлектроники и предназначено для обеспечения учебного процесса при многоуровневой подготовке специалистов в рамках укрупненной группы специальностей и направлений подготовки 210000 – Электронная техника, радиотехника и связь, а также для образовательных программ технической, педагогической направленности, для научных исследований ВУЗов и организаций различных регионов России.

ÓКафедра микроэлектроники Пензенского государственного университета

Содержание

Общие сведения 1

Интерфейс пользователя 1

Рабочее место 1

Рабочая тетрадь 1

Схемы измерений 1

Управляющие инструменты 1

Регистрирующие инструменты 1

Обработка результатов измерений 1

Объект исследования 1

Методика выполнения цикла лабораторных работ 1

Общие действия, совершаемые при выполнении каждой лабораторной работы 1

Исследование вольт-амперных характеристик светоизлучательных диодов с использованием измерительной схемы № 1 1

Исследование вольт-амперных характеристик фоторезисторов (фототранзисторов) с использованием измерительной схемы № 2 1

Исследование световых характеристик фоторезисторов с использованием измерительной схемы № 2 1

Исследование спектральных характеристик фоторезисторов с использованием измерительной схемы № 3 1

Исследование релаксации фотопроводимости фоторезисторов с использованием измерительной схемы № 4 1

Контрольные вопросы 1

Список используемых источников 1

Автоматизированный лабораторный стенд предназначен для исследования оптических свойств материалов электронной техники и параметров оптоэлектронных приборов. Стенд позволяет провести цикл лабораторных работ по этой тематике.

Общие сведения

Лабораторные работы реализованы на общем стенде, который состоит из компьютера и измерительного блока. Измерительный блок (рис. 1) состоит из электронной части и оптической камеры, где располагаются источники и приемники излучения.

Рис. 1. Измерительный блок и оптическая камера

Компьютер (совместно с программным обеспечением) является управляющим и индицирующим элементом стенда. Во время измерений стенд может работать как в режиме цифрового осциллографа, так и в режиме измерений отдельных величин по приборам измерительной схемы.

Программное обеспечение управляет процессом измерений и позволяет рассчитывать параметры и характеристики исследуемого материала. Оно представлено двумя приложениями – FP_Stend.exeиFP_Stud.exe.

FP_Stend.exe– это программа общения с измерительным блоком. Она работает самостоятельно и не зависит от приложенияFP_Stud.exe.

FP_Stud.exe– программа общения с пользователем. Она может работать как совместно сFP_Stend.exe, так и без нее. В первом случае возможно проводить как измерения, так и их обработку, во втором – только обработку ранее сделанных измерений.

Интерфейс пользователя Рабочее место

Внешний вид программы общения с пользователем организован как работа за классическим измерительным стендом, оснащенным различными источниками воздействия и регистрирующими измерительными приборами. Можно сказать, что эти устройства реально реализованы в измерительном блоке, но не имеют отдельных корпусов и индицирующих устройств. Последние представлены только на экране компьютера.

Основное окно программы общения с пользователем показано на рис. 2.

Программное обеспечение построено по принципу многооконного интерфейса. Центральное место занимает окно с упрощенными схемами измерений, которые реализованы в реальном измерительном блоке. Таких схем может быть шесть.

Рис. 2. Основное окно приложения

На каждой схеме присутствует свой набор управляющих и регистрирующих инструментов. Внешний вид приборных панелей, естественно, отличается от реально существующих приборов (рис. 3 и 4). Более того, на них есть специальные кнопки, которых в принципе не бывает на реальных устройствах: например, кнопка «Справка», позволяющая получить справочную информацию о данном приборе.

 

Рис. 3. Регистрирующий инструмент

 

Рис. 4. Управляющий инструмент

 

Непременным атрибутом при работе за классическим измерительным стендом является Рабочая тетрадь, в которую экспериментатор заносит показания приборов. В программе эта возможность также реализована. Рабочая тетрадь открывается в отдельном окне с помощью команд меню или кнопок панели управления.

Рабочая тетрадь

Этот элемент управления предназначен для ведения текущих записей результатов измерений, расчетов, построенных на полученных результатах, и построения графиков. Все данные рабочей тетради хранятся в базе данных. База данных – это файл с расширением *.mdb, расположенный в папке «Data». Каждой рабочей тетради соответствует свой файл с уникальным названием.

Рабочая тетрадь состоит из трех связанных частей:

Таблицы – в ней сосредоточены значения измеряемых величин и результаты расчетов, полученных из измеренных данных;

Формулы – здесь располагаются формулы, необходимые для расчетов; их можно добавлять, удалять и редактировать;

Графики – здесь сосредоточены графики, построенные как по измеренным данным, так и по результатам расчетов; их также можно добавлять, удалять и редактировать.

Переключаться между частями рабочей тетради можно при помощи ярлычков, расположенных в верхней части окна (рис. 5).

 Рис. 5. Переключение между частями рабочей тетради

Таблицы. В этой части рабочей тетради в первую очередь представлены значения измеряемых величин и расчетных величин (500*I на рис. 6), полученных на основе измеряемых. Эти значения оформлены в виде таблицы, расположенной в нижней части окна. Изменить эти данные нельзя, их можно только просматривать. Одна таблица соответствует одномуизмерению. Подизмерениемпонимается один эксперимент, в котором получены одна или несколько строк с данными, позволяющими рассчитать нужные Вам величины или построить нужные Вам зависимости.

Выше таблицы с результатами располагается информационная область, в которой представлены:

– номер схемы измерений, с помощью которой получены экспериментальные данные;

– состояние регистрирующих инструментов(предел измерений), которое было на момент начала измерений;

– название объекта исследований; материал, из которого он изготовлен;

– параметры объекта исследований.

Рис. 6. Рабочая тетрадь, вкладка «Таблицы»

 В левой верхней части окна рабочей тетради имеется таблица с названием измерения и датой его проведения. С помощью «мыши» или стрелок клавиатуры можно перемещаться по уже имеющимся результатам. При этом в таблице результатов показываются измеренные и рассчитанные данные выбранного измерения.

Кнопка позволяет редактировать название измерения. При нажатии на нее появляется строка ввода с названием и с кнопкой(рис. 7). После исправления названия необходимо нажать кнопкуи результат перепишется в таблицу, а строка ввода пропадет.

Рис. 7. Редактирование названия измерения

В правой верхней части окна рабочей тетради находится панель управления измерениями (см. рис. 6). Кнопки панели управления реализуют следующие команды:

Новое – открывает новое измерение. В таблице появляется новая запись с названием по умолчанию и датой проведения измерения и включается режим редактирования названия – появляется строка ввода с названием, а кнопкапереходит в запрещенное состояние. Обратите внимание, кнопкаЗаписать доступна только при окончании редактирования названия измерений.

Записать – записывает одну (или несколько, если включеносциллограф) строк данных в таблицу рабочей тетради. Можно ограничиться записью одной строки и воспользоваться построителем выражений для расчетов. При переходе к другой части рабочей тетради («Формулы» или «Графики»), заканчивается запись данных в таблицу и запрещается кнопкаЗаписать. Аналогичный эффект наблюдается при перемещении на другое измерение.

Удалить – удаляет все измерение вместе со связанными с ним формулами и графиками.

Формулы.В этой части рабочей тетради в первую очередь представлены выражения, с помощью которых производятся расчеты. Выражения строятся на основе измеренных данных и уже существующих выражений. Список всех формул, доступных в данномизмерении(подизмерениемпонимается один эксперимент, в котором получены одна или несколько строк с данными), располагается в центральной части окна рабочей тетради (рис. 8).

Рис. 8. Рабочая тетрадь, вкладка «Формулы»

В первой колонке списка отображаются идентификаторы, которые могут быть использованы при построении новых выражений. Во второй колонке представлены собственно выражения, в третьей – результат расчета, в четвертой – размерность и в пятой – комментарии, позволяющие описать назначение данного выражения. В случае, если идентификатор представляет собой экспериментальное значение, вместо выражения во второй колонке стоит слово «измерение». Выражения могут бытьскалярными ивекторными. В первом случае в выражении не содержится ни одного векторного идентификатора, оно имеет одно значение, которое и представлено в колонке результата. Если выражение векторное, это значит, что оно имеет несколько значений, которые отображаются в таблице, расположенной внизу окна рабочей тетради. В этом случае в колонке результата (третьей) ставится знак [...]. Все экспериментальные результаты – векторные. Если в формуле присутствует хоть один векторный идентификатор, то все выражение становится векторным.

Зеленым цветом выделены измеренные значения, коричневым – параметры образцов. Эти выражения изменить нельзя. Если в формуле содержится ошибка, то строка в списке выделяется красным цветом. В формулах могут присутствовать только идентификаторы, расположенные вышепо списку.

Графики. В этой части рабочей тетради представлены графики, построенные как по измеренным данным, так и по результатам расчетов (рис. 9).

Каждый график может быть либо одной кривой, либо семейством кривых, зависящих от параметра.

В верхней части окна расположена область управления, позволяющая просматривать, добавлять, удалять и редактировать графиками. В левой части области имеется таблица с названием графика. Именно это название будет отображаться в качестве заголовка. С помощью «мыши» или стрелок клавиатуры можно перемещаться по уже имеющимся графикам. При этом они отображаются в области построения.

Кнопка позволяет редактировать название графика. При нажатии на нее в области управления появляется строка ввода с названием и кнопкой. После исправления названия необходимо нажать эту кнопку и результат перепишется в таблицу, а строка ввода пропадает.

Рис. 9. Рабочая тетрадь, вкладка «Графики»

Рядом с таблицей находится панель с кнопками управления (см. рис. 9). Эти кнопки реализуют следующие команды:

Новый – открывает новый график. В таблице появляется новая запись с названием по умолчанию и включается режим редактирования названия – появляется строка ввода с названием, а кнопкапереходит в недоступное состояние.

Удалить – удаляет график, отмеченный в таблице.

Редактировать – позволяет редактировать график.

Схемы измерений

Окно «Схемы измерений» предоставляет возможность выбора схемы измерений, которая реализована в реальном измерительном блоке. Выбор осуществляется при помощи ярлычков, расположенных в верхней части окна (рис. 10). Всего схем существует шесть, но не все сразу отражаются на переключающих ярлычках окна. Количество схем (и их номера) зависит от объекта исследования, который выбирается экспериментатором.

Рис. 10. Переключение между схемами измерений

Схема измерений № 1 (рис. 11) предназначена для проведения однократных измерений с последующим изменением установок источников воздействия. То есть, схема реализует измерение характеристик "по точкам", например, зависимость фототока от длины волны, зависимость тока от напряжения источника излучения.

Рис. 11. Схема измерений № 1

Эта схема является самой полной схемой измерений, которые реализованы в измерительном блоке, поэтому с ее помощью можно осуществить все возможные исследования, предоставляемые лабораторным стендом. Однако, поскольку здесь очень много степеней свободы у экспериментатора, то потребуются дополнительные вычисления, как при обработке полученных результатов, так и при постановке эксперимента, например, соблюдение постоянной освещенности приемников излучения.На схеме присутствуют следующие элементы:

 Управляемый источник напряжения. Предназначен для изменения напряжения на фотоприемнике. Дает возможность измерить ВАХ.

 Фотоприемник и источник излучения (Коммутатор объектов). Предназначен для переключения приемников и источников излучения в измерительном стенде. Также позволяет получить информацию об объекте исследования.

 Амперметр А1. Предназначен для измерения тока через фотоприемник.

 Амперметр А2. Предназначен для измерения тока через источник излучения.

 Вольтметр V1. Предназначен для измерения напряжения на фотоприемнике.

 Вольтметр V2. Предназначен для измерения напряжения на источнике излучения.

 Управляемый источник тока. Предназначен для изменения тока через источник излучения. Дает возможность измерить ВАХ.

 

При наведении курсора на элемент схемы, он меняет свое очертание со стандартной "стрелки" на "указывающую руку". Если теперь нажать на левую кнопку "мыши", соответствующий инструмент становится видимым.

Примечание. Даже если регистрирующий инструмент невидим, измерения все равно производятся и могут быть записаны в рабочую тетрадь при нажатии соответствующей кнопки в области управления рабочей тетрадью.

Схема измерений № 2 (рис. 12) предназначена для проведения измерений ВАХ фотоприемника при различных вариантах воздействия светового излучения. Выбрать длину волны излучения и освещенность можно с помощью управляемого источника света.

На схеме присутствуют следующие элементы:

  Управляемый источник напряжения. Предназначен для изменения напряжения на фотоприемнике. Дает возможность измерить ВАХ.

 Фотоприемник (Коммутатор объектов). Предназначен для переключения приемников излучения в измерительном стенде. Также позволяет получить информацию об объекте исследования.

 Амперметр А1. Предназначен для измерения тока через фотоприемник.

 Вольтметр V1. Предназначен для измерения напряжения на фотоприемнике.

 Управляемый источник света. Предназначен для изменения длины волны источника излучения и освещенности.

Рис. 12. Схема измерений № 2

Схема измерений № 3. Эта схема (рис. 13) наиболее простая и предназначена для проведения измерений спектральных характеристик фотоприемников. При этих измерениях на объект подается неизменное напряжение 2 В. Длину волну излучения и освещенность можно изменять с помощью управляемого источника света.

На схеме присутствуют следующие элементы:

  Фотоприемник (Коммутатор объектов). Предназначен для переключения приемников излучения в измерительном стенде. Также позволяет получить информацию об объекте исследования.

 Амперметр А1. Предназначен для измерения тока через фотоприемник.

 Управляемый источник света. Предназначен для изменения длины волны излучения и освещенности.

Рис. 13. Схема измерений № 3

Схема измерений № 4. Эта схема (рис. 14) предназначена для проведения измерений переходных характеристик фотоприемников, т. е. для измерения кривых нарастания (спада) фототока при включении (выключении) источника излучения. При этих измерениях на объект подается неизменное напряжение 2 В. Длину волну излучения и освещенность можно изменять с помощью управляемого источника света.

Регистрирующим прибором этой схемы является цифровой осциллограф, а управлять включением и выключением источника излучения можно при помощи генератора импульсов.

Рис. 14. Схема измерений № 4

На схеме присутствуют следующие элементы:

  Фотоприемник (Коммутатор объектов). Предназначен для переключения приемников излучения в измерительном стенде. Также позволяет получить информацию об объекте исследования.

 Осциллограф. Предназначен для измерения зависимости тока через фотоприемник от времени. Начало развертки синхронизируется от генератора импульсов.

 Генератор импульсов. Предназначен для формирования однократных импульсов, включающих (выключающих) источник излучения.

 Управляемый источник света. Предназначен для изменения длины волны излучения и освещенности.

Схема измерений № 5. Эта схема (рис. 15) предназначена как для проведения измерений ВАХ источников излучения, так и для измерений зависимости интенсивности излучения от напряжения и тока через источник. При этих измерениях на фотоприемник подается неизменное напряжение 2 В и регистрируется фототок.

Рис. 15. Схема измерений № 5

Элементы схемы представляют собой комбинацию схемы №1 и схемы №3.

Схема измерений № 6. Эта схема (рис. 16) предназначена для проведения измерений параметров фотодиода в режиме фотоэлемента. При этом возможно измерить как ток короткого замыкания, так и фото-ЭДС в зависимости от интенсивности излучения и длины волны. Изменить режим измерений можно при помощи переключателя, щелкнув на нем "мышкой".

На схеме вольтметр V1 предназначен для измерения фото-ЭДС на фотоприемнике, аамперметр А1. – тока короткого замыкания фотоприемника. Назначение остальных элементов аналогично другим схемам измерений.

 

Рис. 16. Схема измерений № 6

 

Управляющие инструменты

На каждой измерительной схеме присутствует свой набор инструментов. Их можно разделить на управляющие и регистрирующие. Управляющие инструменты – это инструменты, связанные с источниками воздействия; регистрирующие инструменты – это измерительные приборы, которые представляют измеренные данные.

Управляемый источник напряжения. Предназначен для изменения напряжения на фотоприемнике. Дает возможность измерить ВАХ.

Рис. 17. Управление напряжением

Напряжение изменяется при помощи ползунка. Передвигать ползунок можно либо с помощью "мыши" (нажав на левую кнопку и, не отпуская кнопку, перемещая "мышь"), либо с помощью стрелок на клавиатуре.

Аналогично выглядит и управляется источник тока, который предназначен для изменения тока, протекающего через источник излучения.

Управляемый источник света. Предназначен для изменения длины волны излучения и освещенности приемника.

Рис. 18. Управляемый источник света

Реально источник света представляет собой линейку светодиодов, которые излучают в определенном, довольно узком, диапазоне с явно выраженным максимумом. Значение длины волны, соответствующей максимуму спектральной линии излучения принимается за длину волны источника света. Исходя из этого следует, что дины волн источника фиксированы и представляют собой следующий ряд значений: 408, 462, 508, 563, 588, 600, 610, 650, 836 нм. Последнее значение соответствует инфракрасному диапазону.

Изменять длину волны излучения и освещенность позволяют элементы управления в виде ползунков. Перемещать их можно как при помощи «мыши», так и при помощи стрелок на клавиатуре.

На источнике света имеются два индикатора, которые показывают установленные длину волны и освещенность.

Флаг «Постоянная освещенность» позволяет поддерживать либо постоянный ток светодиодов, либо постоянную освещенность на образце. Последний режим удобен при измерении спектральных характеристик. В этом случае устанавливается такой ток для светодиодов, который может поддерживать светодиод, обладающий минимальной яркостью.

Генератор импульсов. Предназначен для формирования однократных импульсов, включающих (выключающих) источник излучения.

Рис. 19. Генератор импульсов

Генератор работает в четвертой измерительной схеме, в которой в качестве регистрирующего прибора применяется осциллограф. Эта схема позволяет регистрировать временные зависимости нарастания (спада) фототока прирезком включении (выключении) источника света. Чтобы закончились в фотоприемнике переходные процессы, на генераторе есть орган управления, позволяющий изменять время задержки импульса включения (выключения) источника света.

Для начала работы генератора следует нажать тумблер, расположенный в его правом нижнем углу. После регистрации изменения фототока, он автоматически выключается.

Фотоприемник и источник излучения (Коммутатор объектов). Предназначен для переключения приемников и источников излучения в измерительном стенде. Также позволяет получить информацию об объекте исследования.

Рис. 20. Коммутатор объектов

В зависимости от схемы измерений окно коммутатора объектов содержит либо две вкладки «Приемники» и «Излучатели» (схема №1 и схема №5), либо только вкладку «Приемники». В любом случае длина волны излучателя отображается в правом верхнем углу окна.

После того, как приемник и источник излучения в измерительном стенде переключатся, на схеме измерений напротив фотоприемника появится цветной прямоугольник (рис. 21).

Рис. 21. Источник света включен

Регистрирующие инструменты

Вольтметр. На схемах возможны два вольтметра:V1 и V2. Первый из них предназначен для измерения напряжения на фотоприемнике, второй – для измерения напряжения на источнике излучения.

Рис. 22. Вольтметр

На всех схемах, кроме шестой, оба прибора одинаковы. Предел измерений всегда постоянный и равен 10 В. На схеме № 6 вольтметр V1 имеет два предела измерений.

Амперметр. На схемах возможны два типа амперметров:A1 и A2. Первый из них предназначен для измерения тока через фотоприемник, второй – для измерения тока через источник излучения.

Рис. 23. Амперметр

Разница между ними только в величине измеряемого тока и, как следствие этого, в различных пределах измерения. При перегрузке цифры становятся красными.

Электронный осциллограф. Предназначен для измерения зависимости фототока (ось Y) от времени (ось X) при включении или выключении источника излучения. Внизу окна располагается переключатель пределов измерения тока.

В углах области визуального представления измеренного сигнала расположены элементы управления масштабом вывода на экран . Они позволяют легко изменять область представления кривых.

Рис. 24. Осциллограф

Если размер экрана осциллографа слишком мал, а Вам требуется рассмотреть характеристику более внимательно, можно воспользоваться кнопкой увеличения рабочей панели осциллографа . Нажав кнопку, можно вернуться к первоначальному представлению прибора. Конечно, таких элементов управления нет на реальных осциллографах, но для данных конкретных измерений они более удобны.

Обратите внимание, что при записи данных, в отличие от всех других регистрирующих инструментов, записываться будут сразу несколько строк значений.

Обработка результатов измерений

Она возможна как после окончания записей измерения, так и в любое другое время. Программное обеспечение предоставляет возможность:

1. провести вычисления и получить новые данные из измеренных величин с помощью построителя выражений;

2. представить результаты в графическом виде при помощи специального инструмента манипулирования графиками;

3. сформировать отчет о лабораторной работе.

Построитель выражений (рис. 25) предназначен для работы с выражениями, которые строятся на основе измеренных данных и уже существующих выражений.

Рис. 25. Редактирование выражений

Выражение можно либо составить с помощью кнопок, либо непосредственно в строке ввода с помощью клавиатуры (если Вы уже представляете особенности синтаксиса). Размерность выражения в расчетах не участвует. Она нужна для информации экспериментатора и для обозначения осей графиков. Однако пустой быть не должна, – если величина безразмерная, следует ввести какое-нибудь обозначение этого, например «б/р».

Назначение встроенных функций в построителе выражений понятны по их названиям.

Построение и редактирование графиков. На вкладке «Графики» рабочей тетради следует воспользоваться кнопками управления «Новый» или «Редактировать». При этом активизируется диалоговое окно редактирования графиков (рис. 26).

Рис. 26. Редактирование графиков

Каждый график может быть либо одной кривой, либо семейством кривых, зависящих от параметра. В левой верхней части окна имеется таблица, где перечислены кривые графика. Здесь же можно добавить, удалить кривую, изменить ее название или применить аппроксимацию. При выборе последнего действия активизируется локальное меню.

Это меню позволяет выбрать режимы аппроксимации:

– с использованием формулы A+B*exp(–t/t);

– с использованием A+B₁*exp(–t/t₁)+B₂*exp(–t/t₂);

– либо представить последнюю кривую раздельно.

Именно такой режим показан на рис. 27. Как видно, к экспериментальной кривой добавились две аппроксимирующие кривые, параметры которых приводятся в описании снизу графика.

Правее группы «Кривые» расположена группа управляющих элементов «Данные». В этой области окна назначаются данные для осей каждой кривой. С помощью выпадающих списков можно сопоставить каждой оси любую из колонок таблицы рабочей тетради. Обратите внимание – данные могут быть взяты из разных измерений. Также можно устанавливать логарифмический масштаб по любой из осей.Будьте внимательны, при выборе логарифмического масштаба значения должны быть только положительными.

В правом верхнем углу группы «Данные» располагается флаг «Спектр». Этот элемент управления позволяет соединить экспериментальные точки не прямыми линиями, а кубическим сплайном, что, возможно, окажется более наглядным при представлении спектральных характеристик приборов. При установленном флаге «Спектр», ширина маркеров экспериментальных точек соответствует средней полуширине (в нм) спектральных линий источников излечения, поэтому изменить их размер нельзя, можно только сделать невидимыми сами маркеры.

Рис. 27. Аппроксимация кривой двумя экспонентами

В нижней части окна располагаются элементы управления внешним видом графика. При изменении этих параметров результат сразу отражается в области построения графиков рабочей тетради.

Для изменения названий осей графика следует щелкнуть «мышкой» на области ввода названия оси. При этом появляется кнопка справа от области ввода.

Рис. 28. Редактирование названия оси

 При нажатии на эту кнопку название оси отразится на графике, а кнопка пропадет.

 

Формирование отчета.При формировании отчета приложение интегрируется с текстовым редакторомMS WinWord. Открыть отчет возможно только при открытой рабочей тетради, либо при помощи меню, либо при помощи кнопок на панели инструментов.

Открыть отчет возможно только при открытой рабочей тетради, либо при помощи меню, либо при помощи кнопок на панели инструментов (рис. 29).

Рис. 29. Открытие отчета

После выбора этой команды активизируется соответствующее приложение редактора с открытым файлом отчета, а на окнах приложения FP_Stud.exe появляются кнопки. Эти кнопки позволяют скопировать соответствующий элемент приложения в отчет (кнопки появляются в районе левого верхнего угла копируемого элемента).

Нажатие на кнопку приводит к появлению вотчетесоответствующего элемента. Переключение между отчетом и приложениемFP_Stud.exe легко осуществляется при помощи панели задачWindows.

Рис. 30. Выбор параметров копирования

При копировании графиков возможен выбор представления, в каком будут копироваться графики – в виде метафайла (*.wmf) или в виде растра (*.bmp). Эта возможность реализована из главного менюИнструменты–Параметры копирования. Выбор представления зависит от возможностей Вашего принтера и определяется экспериментально.

После того, как отчет сформирован, его можно распечатать. Закрыть отчет можно с помощью команды меню или кнопки на панели инструментов (рис. 31).

Рис. 31. Закрытие отчета

После выбора этой команды закрывается соответствующее приложение редактора и пропадают кнопки копированияна окнах лабораторной работы.

Объект исследования

Выбор объекта исследованияосуществляется двумя путями: подключением разных систем с образцами; выбор при помощи меню или панели инструментов.

1. Измерительный стендимеет две системы с образцами, которые подключаются к одному и тому же разъему, поэтому не могут быть подключены одновременно. Первая система содержит набор предопределенных приемников излучения. Вторая –  предоставляет возможность установить свой приемник излучения.

 

Внимание. Подключение системы должно осуществляться при выключенном стенде и неработающем программном обеспечении.

Первая оптическая система позволяет исследовать отдельно источники и приемники излучения, поэтому как в меню, так и на панели инструментов активизируются элементы выбора объекта исследования.

 

 

При выборе объекта меняются схемы измерений, а в правом нижнем углу основного окна приложенияпоявляется соответствующая надпись.

 

 

2. Подключение второй оптической системы исключает дополнительные возможности выбора объекта исследования, поэтому доступны все возможные схемы измерений, а элементы меню и панели инструментов, описанные выше, применять нельзя. 

 

Методика выполнения цикла лабораторных работ Общие действия, совершаемые при выполнении каждой лабораторной работы

1. Выбрать объект исследования в главном меню в зависимости от вида полученного задания. В качестве объектов исследования могут выступать светоизлучательные и фотоприемные устройства. Их выбор осуществляется нажатием соответственно кнопок «Светоизлучатели» или «Фотоприемники» главного меню.

2. Выбрать измерительную схему для выполнения исследований.

3. Активизировать все необходимые инструменты схемы.

4. Объект исследования выбирается из таблицы «Коммутатор объектов» с последующим нажатием кнопки «Установить».

5. Открыть рабочую тетрадь или создать новую.

6. Для проведения измерений необходимо в рабочей тетради создать новое измерение, для чего нажать на кнопку «Новое».

7. При измерении различных зависимостей следует изменять напряжение, ток через образец и освещенность, начиная с их максимального значения.

Исследование вольт-амперных характеристик светоизлучательных диодов с использованием измерительной схемы № 1

1. Выполнить общие действия, совершаемые пи выполнения каждой лабораторной работы.

2. Выбрать излучатель, указанный преподавателем.

3. Последовательно задавая значения прямого тока на панели «Источник тока», измерять напряжение на излучателе и ток через р-п-переход. Количество задаваемых значений прямого тока должно быть более десяти.

4. Записать измеренные значения в рабочую тетрадь, для чего нажать на кнопку «Записать».

5. Построить вольт-амперные характеристики излучателей.

6. Определить высоту потенциального барьера р-п-переходов, используя прямые ветви вольт-амперных характеристик излучателей.

7. Выбрать следующий излучатель (количество исследуемых излучателей и их номера указывает преподаватель).

8. Повторить пп. 2–7.

Исследование вольт-амперных характеристик фоторезисторов (фототранзисторов) с использованием измерительной схемы № 2

Исследование темновой вольт-амперной характеристики

1. Выполнить общие действия, совершаемые пи выполнения каждой лабораторной работы.

2. Выбрать фоторезистор, указанный преподавателем.

3. Установить значение освещенности равное нулю, для чего движок на панели «Источник света» передвинуть в нулевое положение.

4. Последовательно задавая значения напряжения, измерять темновой ток I_T, протекающий через фоторезистор. Выполнить более десяти измерений.

5. Построить зависимость темнового тока фоторезистора от приложенного напряжения.

6. Выбрать следующий фоторезистор (количество исследуемых фоторезисторов и их номера указывает преподаватель) и выполнить пункты 4–5.

Исследование вольт-амперной характеристики при освещении

1. Выбрать первый исследуемый фоторезистор. Установить заданные преподавателем длину волны и освещенность (количество экспериментов определяет преподаватель).

2. Последовательно задавая напряжение путем перемещения движка на панели «Источник напряжения» измерять ток I, протекающий через фоторезистор, и напряжение на нем. Количество измерений должно быть более десяти.

3. Построить зависимость тока, протекающего через фоторезистор, от приложенного напряжения для фиксированного значения освещенности. Совместить на одном графике темновые и световые вольт-амперные характеристики фоторезисторов.

4. Рассчитать зависимость фототока фоторезистора I_Фот приложенного напряжения для чего воспользоваться «Построителем выражений». Величину фототока определить, как.

5. Построить зависимость фототока фоторезистора от приложенного напряжения для фиксированного значения освещенности.

6. Выбрать следующий фоторезистор (количество исследуемых фоторезисторов задается преподавателем) и установить заданные преподавателем длину волны и освещенность.

7. Выполнить пункты 2–5.

Исследование световых характеристик фоторезисторов с использованием измерительной схемы № 2

1. Выполнить общие действия, совершаемые пи выполнения каждой лабораторной работы.

2. Выбрать фоторезистор, указанный преподавателем.

3. Установить указанные преподавателем длину волны излучения источника света и напряжение на фоторезисторе (количество экспериментов определяет преподаватель).

4. Последовательно перемещая движок на панели «Источник света» устанавливать значения освещенности и фиксировать при этом значения тока, протекающего через фоторезистор.

5. Рассчитать зависимость фототока фоторезистора I_Фот освещенности для чего воспользоваться «Построителем выражений». Величину фототока определить, как.

6. Построить зависимость фототока фоторезистора от освещенности.

7. Используя уравнение

J=σE

и значения фототока, протекающего через фоторезистор, определить концентрацию носителей заряда:

,

где l– длина активной части фоторезистора;a– толщина иb– ширина фоторезистора (значения этих величин для фоторезисторов приведены в таблице «Коммутатор объектов»).

8. Рассчитать кратность изменения сопротивления K_Rфоторезистора, используя закон Ома для определения темнового сопротивления и сопротивления при определенном уровне освещенности.

9. Рассчитать удельную чувствительность фоторезисторов по уравнению:

,

где – световой поток, падающий на поверхность полупроводника;– напряжение, приложенное к фоторезистору.

Световой поток Ф и освещенность E_освсвязаны следующим образом:

.

10. Построить график зависимости удельной чувствительности фоторезистора от освещенности (светового потока).

11. Выбрать следующий исследуемый фоторезистор (преподавателем указывается количество и номера исследуемых образцов) и повторить пп. 3–10.

Исследование спектральных характеристик фоторезисторов с использованием измерительной схемы № 3

1. Выполнить общие действия, совершаемые пи выполнения каждой лабораторной работы.

2. Выбрать указанный преподавателем фоторезистор.

3. Установить фиксированное значение освещенности (указывается преподавателем).

4. Перемещая движок на панели «Источник света» устанавливать значения длины волны излучения и измерять для каждого фиксированного значения силу тока, протекающего через фоторезистор. Выполнить не менее десяти измерений.

5. Построить график зависимости тока, протекающего через фоторезистор, от длины волны излучения. При построении графиков установить флажок «Спектр» на панели «Редактирование графиков».

6. Построить зависимость фототока через фоторезистор от длины волны излучения. Фототок определить, как . Значения темнового тока взять из предыдущих измерений для напряжения на фоторезисторе, равного 2 В.

7. Из графика определить ширину запрещенной зоны полупроводника, на основе которого изготовлен фоторезистор. Пример нахождения ширины запрещенной зоны полупроводника, приведен на рисунке 32.

8. По таблице определить материал полупроводника, на основе которого изготовлен фоторезистор.

9. Выбрать следующий фоторезистор (количество исследуемых фоторезисторов и их номера определяет преподаватель). Повторить пп. 3–8.

Исследование релаксации фотопроводимости фоторезисторов с использованием измерительной схемы № 4

1. Выполнить общие действия, совершаемые пи выполнения каждой лабораторной работы.

2. Выбрать фоторезистор, указанный преподавателем.

3. Установить тип импульса на панели «Генератор импульсов» в положение «Нарастание».

4. Установить длину волны излучения, указанную преподавателем. Количество экспериментов указывает преподаватель.

5. Задать указанную преподавателем освещенность (количество экспериментов указывается преподавателем).

6. При помощи генератора импульсов подать на фоторезистор прямоугольный световой импульс с заданной задержкой (количество экспериментов определяет преподаватель).

7. На электронном осциллографе наблюдать процесс нарастания фотопроводимости. Сохранить данные в рабочей тетради.

8. Построить график зависимости фототока фоторезистора от времени, аппроксимируя эту зависимость либо одной экспонентой, либо суммой двух экспонент.

9. Из аналитических зависимостей фототока фоторезистора от времени определить время нарастания фототока.

10. Установить тип импульса на панели «Генератор импульсов» в положение «Спад».

11. Повторить пп. 6–9 с учетом того, что необходимо определить время спада фотопроводимости .

12. Построить зависимости времени нарастания и спада фотопроводимости фоторезисторов от освещенности (использовать другое программное обеспечение, например, MS Excel).

13. Используя п. 9 определить неравновесную концентрацию носителей заряда, существующую вследствие генерации (рекомбинации) носителей заряда, в результате освещения полупроводника.

14. Построить зависимость избыточной концентрации носителей заряда от времени.

15. Выбрать следующий фоторезистор и повторить пп. 3–14. (Количество исследуемых образцов и их номера указывает преподаватель).

Таблица

Свойства полупроводников, используемых для получения оптоэлектронных приборов

Наименование полупроводника или соединения	Si	Ge	CdS	CdSe	CdTe	GaAs	JnSb
Ширина запрещенной зоны эВ	1,15	0,7	2,4	1,7	1,5	1,5	0,2
Подвижность электронов и дырок, см2/В·с	300 500	3800 820	200 20	600 –	1500 100	500 20	8000 750

Контрольные вопросы

1. Объясните механизмы собственной и примесной проводимости в полупроводниках с точки зрения зонной теории.

2. Что такое "темновая" электропроводность полупроводника?

3. Что такое оптическое поглощение, расскажите об основных видах поглощения излучения полупроводниками?

4. Что называется фотопроводимостью?

5. Перечислите фотовольтаические эффекты и объясните их суть.

6. Что такое внутренний фотоэффект в полупроводниках?

7. Как образуются избыточные носители заряда в полупроводниках под действием квантов света?

8. Укажите возможные типы переходов электронов при поглощении квантов света.

9. Объясните собственную и примесную фотопроводимость полупроводников.

10. Как связана критическая длина волны с характеристиками полупроводника при собственной и примесной фотопроводимости?

11. Что такое квантовый выход внутреннего фотоэффекта?

12. Объясните характер зависимости фототока от светового потока, падающего на фоторезисторы (фотодиоды).

13. Как и почему изменяется электропроводность полупроводников в зависимости от длины волны, падающего излучения?

14. Запишите уравнение непрерывности фототока для одномерного случая и проанализируйте его.

15. Приведите классификацию оптоэлектронных приборов?

16. Перечислите основные характеристики и параметры фоторезисторов.

17. Перечислите основные характеристики и параметры фотодиодов.

18. Перечислите основные достоинства и недостатки фоторезисторов и фотодиодов.

19. Что такое напряжение холостого хода фотодиода и как оно определяется?

20. Что такое ток короткого замыкания фотодиода и как он определяется?

21. Перечислите основные характеристики и параметры светодиодов.

22. Как определить время жизни неравновесных носителей заряда?

23. Как по спектральной характеристике фотопроводимости определить параметры полупроводника?

24. Укажите режимы работы фоторезисторов и фотодиодов.

25. Почему фототок через р-п-переход фотодиода слабо зависит от приложенного обратного напряжения?

26. Объясните возникновение фотоЭДС в фотоэлементах.

Список используемых источников

1. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников / Л.С. Стильбанс. – М.: Сов. Радио, 1967. – 452 с.

2. Шалимова К.В. Физика полупроводников / К.В. Шалимова. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 392 с.

3. Павлов П.В. Физика твердого тела / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов. – М.: Высш. шк., 1985. – 370 с.

4. Епифанов Г.И. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА / Г.И. Епифанов, Ю.А. Мома. – М.: Сов. радио, 1979. – 352 с.

5. Бонч-Бруевич Л.В. – Физика полупроводников / Л.В. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников. – М.: Наука, 1972. – 670 с.

6. Пасынков В.В. Материалы электронной техники / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. – М.: Высш. шк., 2003. – 368 с.

7. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы / В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. – М.: Высш. шк., 1987. – 479 с.

8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов / С. Зи. – М.: Мир, 1984. – Т. 2. – 455 с.

9. Тугов Н.М. Полупроводниковые приборы / Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А. Чарыков. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.

10. Кушманов И.В. Электронные приборы / И.В. Кушманов, Н.Н. Васильев, А.Г. Леонтьев. – М.: Связь, 1973. – 360 с.

11. Фридрихов С.А. Физические основы электронной техники / С.А. Фридрихов, С.М. Мовнин. – М.: Высш. шк., 1982. – 608 с.

12. Бьюб Р. Фотопроводимость твердых тел / Р. Бьюб. – М.: Иностранная литература, 1962. – 558 с.

13. Верещагин И.К. Введение в оптоэлектронику / И.К. Верещагин, Л.А. Косяченко, С.М. Кокин. – М.: Высш. шк., 1991. – 191 с.

14. Новиков В.В. Теоретические основы микроэлектроники / В.В. Новиков. – М.: Высш. шк., 1972. – 352 с.

2

39

3

38

4

37

5

36

35

6

7

34

33

8

9

32

31

10

11

30

29

12

13

28

27

14

15

26

25

16

17

24

23

18

19

22

20

21